基于NIOS-II的示波器：PART1 按键&显示屏驱动&界面

NIOS II 相关资料以及基础入门

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《Nios II那些事儿》

本文所有的硬件基础以及工程参考来自魏坤示波仪，重新实现驱动并重构工程。

基于NIOS II的示波器实现

Version 0.1 按键驱动&显示屏驱动&界面实现

Part 0.1.0 硬件准备

由于屏幕会挡住烧录口，这里飞线以供调试。

Part 0.1.1 创建Quartus工程

• 软核部分：利用SOPC Builder建立kernel，软核具体配置如下

  

  • 由于显示芯片利用的ILI9481，这里利用LCD前缀字样PIO口与LCD芯片通信，利用、PWM_LED控制LCD的亮度
  • 利用KEY_PORT读取按键的输入

  这里待补全各组件参数设置

• 顶层图

  

  其中SYS_PLL输出S0 S1均为100MHZ的时钟信号

  而pwm_controller则通过计数器控制屏幕的亮度，代码如下

  library ieee;
  use ieee.std_logic_1164.all;
  use ieee.std_logic_unsigned.all;
  
  entity pwm_controller is
  port(
      clk:in std_logic;
      pwm_led_in:in std_logic_vector(13 downto 0);
      pwm_led_out:out std_logic
  );
  end pwm_controller;
  
  architecture pwm_arch of pwm_controller is
  
  signal counter:std_logic_vector(13 downto 0);
  
  begin
  process(clk)
  begin
      if(clk'event and clk = '1') then
          if(counter >= pwm_led_in) then
              pwm_led_out<= '0';
          else
              pwm_led_out<= '1';
          end if;
          counter <= counter + 1;
      end if;
  end process;
  end pwm_arch;

Part 0.1.2 软件设计

一些基本工具以及按键、显示器驱动实现

显示器驱动

• LCD显示屏初始化

  void LCD_init() {
      //************* Reset LCD Driver ****************//
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 1);
      delay_ms(200);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 0);
      delay_ms(200);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RESET_BASE, 1);
      delay_ms(10);
      //************* Start Initial Sequence **********//
      //剩余参数配置见源代码，这里不予展示
  }

  LCD初始化可以直接利用芯片厂商提供的代码，或者参考芯片资料中的参数配置自行完成。

  

• LCD显示驱动

  查阅ILI9481芯片手册，可以将发送一次指令和内容打包成Index与cmd两个函数。

  

  这两个函数内容如下：

  void LCD_ILI9481_INDEX(unsigned int data) {
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
  }
  void LCD_ILI9481_CMD(unsigned int data) {
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 0);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
  }

  发送一个指令的流程为先利用cmd函数发送指令，再用INDEX函数发送指令内容。

  再将LCD显示一个像素的图像打包为set_addr和send_data两个步骤，先通过set_addr发送像素地址，再用send_data发送像素颜色信息。

  send_addr的时序可以通过查阅芯片手册来得知，其代码如下：

  void set_addr(unsigned int x, unsigned int y){
      LCD_ILI9481_CMD(0x002b);
      LCD_ILI9481_INDEX(x >> 8);
      LCD_ILI9481_INDEX(x & 0x00ff);
      LCD_ILI9481_INDEX(0x0001);
      LCD_ILI9481_INDEX(0x00df);
  
      LCD_ILI9481_CMD(0x002a);
      LCD_ILI9481_INDEX(y >> 8);
      LCD_ILI9481_INDEX(y & 0x00ff);
      LCD_ILI9481_INDEX(0x0001);
      LCD_ILI9481_INDEX(0x003f);
  
      LCD_ILI9481_CMD(0x002c);
  }

  同样，可以写出send_data如下：

  void send_data(unsigned int data) {
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_RS_BASE, 1);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 0);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_DATA_BASE, data);
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LCD_WR_BASE, 1);
  }

• LCD显示工具

  ascii码显示工具（中文显示工具原理相同），利用lcd_buffer传参数，字母数据保存在word_libc

    void display_ascii(unsigned int x, unsigned int y, unsigned int w_color,
          unsigned int b_color) {
      unsigned int i, j, k = 0;
      unsigned char str;
      unsigned int OffSet, z;
  
      while (1) {
          if (lcd_buffer[k] == 0) {
              set_addr(0, 0);
              return;
          }
          z = lcd_buffer[k];
          //每个字符在wordlib中用11
          OffSet = z * 11;
          //显示一个字符 该字符的像素大小为
          for (i = 0; i < 11; i++) {
              //读取字符表示中的一个字符的一行
              str = word_lib[OffSet + i];
              for (j = 0; j < 8; j++) {
                  //设置显示像素点的相对左边
                  set_addr(x + j, y - i);
                  //如果是要显示的话，就显示前景颜色
                  if (str & 0x80) {
                      send_data(w_color);
                  } else {
                      //如果是不显示的话，显示背景颜色
                      send_data(b_color);
                  }
                  str <<= 1;
              }
          }
          x += 8;
          k++;
      }
    }

  通过如下方式利用该工具

    sprintf((char *)lcd_buffer, "CH1 Freq:");
    display_ascii(8, 55, 0x0000, MENU_FULL_COLOR);

  图片显示则利用如上所诉的set_addr与send_data完成，欢迎界面显示函数如下

  （图像利用工具转换后放在welcome数组之中）

    void display_Welcome() {
      unsigned int i, j, data;
      unsigned long k = 0;
      //设置初始位置
      set_addr(0, 0);
      //显示欢迎页,先输出一列再输出一行
      for (i = 0; i < 480; i++) {
          for (j = 0; j < 320; j++) {
              data = welcome[k++];
              data = data + (welcome[k++] << 8);
              send_data(data);
          }
      }
    }

  其余显示函数原理如上，不再赘述。

中断处理

• 时钟中断在此版本中暂时用于处理背光，中断的申请与定义可见各NIOS教程，处理函数如下

  void timer(void* context) {
  IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_STATUS(TIMER_BASE, 0);
  IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(TIMER_BASE, 0x0b);
  
  //控制LCD的背光灯
  if (LED_PWM_DATA <= 130) {
      LED_PWM_DATA += 1;
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(PWM_LED_BASE, LED_PWM_DATA);
  }
  IOWR_ALTERA_AVALON_TIMER_CONTROL(TIMER_BASE, 0x07);
  }

• 按键中断则是SPI总线来读取按键值

  void KeyListener(void* context) {
  KEY_IS_DOWN = !KEY_IS_DOWN;
  unsigned char i = 0;
  for (i = 0; i < 8; i++) {
      send_KEY(((0xfeff << i) >> 8) & 0xff);
      if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) != 0x03) {
          if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) == 1) {
              switch (i) {
              case 0:
                  KEY_DATA = 8;
                  break;
              //...
                //见源代码 省去
              }
          } else if (IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_PORT_BASE) == 2) {
              switch (i) {
              case 0:
                  KEY_DATA = 0;
                  break;
              //...
                //见源代码 省去
              }
          }
          break;
      }
  }
  send_KEY(0x00);
  if(KEY_IS_DOWN == 0){
      sprintf(lcd_buffer,"keytest");
      display_ascii(417,95,0x0000,0xEF78);
      sprintf(lcd_buffer,"%2d",KEY_DATA);
      display_ascii(417,80,0x0000,0xEF78);
  }
  IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_PORT_BASE, 0x0000);
  }
  

  SPI总线的驱动send_key见下

  void send_KEY(unsigned char data) {
  unsigned char u;
  IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_LE_K_BASE, 0);
  //串行发送j的数据，通过移位发送j的数据
  for (u = 0; u < 8; u++) {
      if (data & 0x80) {
          IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_DATA_BASE, 1);
      } else {
          IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_DATA_BASE, 0);
      }
  
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_CLK_BASE, 1);
  
      IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_CLK_BASE, 0);
  
      data <<= 1;
      //左移发送信号
  }
  IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SPI_LE_K_BASE, 1);
  }

工具类

工具类主要提供了delay如下

void delay_ms(unsigned int i) {
    unsigned int j, k;
    for (j = 0; j < i; j++)
        for (k = 0; k < 1000; k++);
}
void delay_us(unsigned int i) {
    unsigned int j;
    for (j = 0; j < i; j++);
}

按照示波器运行流程的代码描述

• 主函数

  
  #include <stdio.h>
  
  #include "../inc/init.h"
  
  int main() {
  printf("OSC SYSTEM INIT!\n");
  SYSTEM_init();     //初始化系统,显示载入界面
  printf("SYSTEM INIT FINISHED!\n");
  
  printf("INTERFACE INIT!\n");
  INTERFACE_init();  //初始化界面,显示示波器主界面
  printf("INTERFACE INIT FINISHED");
  
  while (1) {
      //主循环,处理中断,更新界面
  }
  return 0;
  }

  主函数放在..\main\main.c下，主要是用于初始化系统,初始化界面,运行时维护界面。

• 初始化系统，显示载入画面

  void SYSTEM_init() {
  LCD_init(); //初始化显示屏
  display_Welcome(); //显示欢迎界面
  //初始化中断服务
  alt_irq_init(ALT_IRQ_BASE);
  KEY_init(); //初始化按键中断
  TIMER_init(); //初始化按键中断
  //初始化AD模块 (未完成)
  delay_ms(5000);
  }

• 初始化界面,显示示波器主界面

  void INTERFACE_init() {
  display_background(); //显示主界面背景
  display_area(); //显示波形显示区域
  display_menu();
  display_rightbox();
  display_parabar();
  display_toolbar();
  }

  利用上述显示驱动，将界面显示出来。

Part 0.1.F V0.1版本示意

视频演示：http://v.youku.com/v_show/id_XMTgxMjg1ODYzNg==.html

遇到问题解决方案

• 无法烧录，提示system_ID有问题

  遇到这个情况是由于BSP改位置或者BSP没有更新，所以在BSP工程下右键NIOS II子菜单下BSP Editor更改BSP位置，最后Generate BSP即可解决。